TW202246847A - 增加近眼顯示器的視場 - Google Patents

Abstract

一種用於在近眼顯示器中生成圖像的方法，該方法可以包括：將圖像分成第一子圖像和第二子圖像；使第一子圖像和第二子圖像順序地透射通過通道；提取第一偏振的與第一子圖像對應的光以及第二偏振的與第二子圖像對應的光；在第一方向上偏轉第一偏振的第一級的光；以及在與第一方向不同的相反方向上偏轉第二偏振的相反級的光。所得到的圖像寬度與較寬的視場對應。

Description

增加近眼顯示器的視場

本發明內容涉及用於在具有相對寬視場(Field-Of-View，FOV)的近眼顯示器(Near-Eye Display，NED)中使用的光學系統。

近眼顯示器(Near-Eye Display，NED)現在是擴增實境(Augmented Reality，AR)應用和虛擬實境(Virtual Reality，VR)應用中的主要產品。例如，增強現實顯示器通常包括近眼透明或半透明顯示器，通過該近眼透明或半透明顯示器，用戶可以看到周圍環境，同時還可以看到表現為周圍環境的一部分和/或疊加在周圍環境上的虛擬物件(例如，文本、圖形、視頻等)。

NED裝置通常利用光波導來再現用戶可能在增強現實環境中看到的顯示的虛擬影像。波導通常對這樣的裝置的性能和/或形狀因數存在限制。特別地，在利用光波導的NED裝置(例如，頭戴式顯示器(Head Mounted Display，HMD))中，光在有限的內角範圍內傳播通過光波導。以一定入射角傳播到波導的內表面的光在波導內行進，在表面之間來回反彈，只要相對於表面法線的入射角大於與製造光波導的材料相關聯的某個臨界角。以其他入射角傳播的光將離開波導。因此，使用波導的NED裝置中的光的角寬度固有地受到波導的限制。波導固有的這些和其他因素傾向於限制基於光波導的顯示器能夠支持的視場(Field-Of-View，FOV)。

試圖增加基於波導的顯示器的FOV通常伴隨著尺寸上的折衷。為了改善FOV，設計者不得不使NED裝置龐大和笨重，這對於消費者而言是不期望的屬性。因此，在本領域中需要具有改進的FOV並且不龐大和笨重的NED。

根據實施方式，光學系統包括光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)，該光導光學元件包括透光基板。透光基板包括：彼此平行的第一主表面和第二主表面；一個或更多個光輸入耦合元件，其被配置成將入射光耦合到透光基板中，從而通過全內反射將光捕獲在第一主表面與第二主表面之間；以及一個或更多個光輸出耦合元件，其被配置成將光耦出基板。在該實施方式中，光學系統還包括一對互補偏振光柵。來自該對互補偏振光柵的第一偏振光柵被設置在透光基板的與第一主表面對應的第一側上，並且來自該對互補偏振光柵的第二偏振光柵被設置在透光基板的與第二主表面對應的第二側上。在該實施方式中，光學系統還包括至少一個切換偏振元件，其被配置成在第一偏振與不同於第一偏振的第二偏振之間切換光的偏振，使得第二偏振光柵在第一方向上偏轉第一偏振的光並且在不同於第一方向的第二方向上偏轉第二偏振的光。

偏振光柵根據時分複用方案在兩個不同方向上偏轉來自圖像的偏振光。在第一時間，以第一偏振偏振的第一子圖像光在第一方向上偏轉，在隨後的第二時間，以第二偏振偏振的第二子圖像光在第二方向上偏轉。通過時分複用，在第一方向上偏轉的光和在第二方向上偏轉的光的有效組合顯著地擴展了圖像的FOV。

該技術允許使用緊湊的波導、投影儀等。因此，本文中公開的發明允許在不顯著增加NED的尺寸的情況下，改進NED的FOV。

在一個實施方式中，光學系統包括投影儀，該投影儀被配置成在以第一主表面和第二主表面的法線為中心的方向上發射偏振光。

在一個實施方式中，至少一個切換偏振元件被設置在投影儀與第一主表面之間，使得入射光在耦合到透光基板之前在第一偏振與第二偏振之間切換。

在一個實施方式中，至少一個切換偏振元件包括第一切換偏振元件和第二切換偏振元件，並且第一切換偏振元件被設置在LOE與第一偏振光柵之間，並且第二切換偏振元件被設置在LOE與第二偏振光柵之間，使得入射光在耦合到透光基板中時，入射光保持以第一偏振而偏振。

在一個實施方式中，光學系統包括第二對互補偏振光柵，來自第二對互補偏振光柵的第三偏振光柵被設置在透光基板的與第一主表面對應的第一側上，並且來自第二對互補偏振光柵的第四偏振光柵被設置在透光基板的與第二主表面對應的第二側上。至少一個切換偏振元件包括第三切換偏振元件和第四切換偏振元件，並且第三切換偏振元件被設置在第一偏振光柵與第三偏振光柵之間，並且第四切換偏振元件被設置在第二偏振光柵與第四偏振光柵之間。

在一個實施方式中，至少一個切換偏振元件包括第一切換偏振元件、第二切換偏振元件和第三切換偏振元件，第一切換偏振元件被設置在LOE與第一偏振光柵之間，第二切換偏振元件被設置在LOE與第二偏振光柵之間，並且第三切換偏振元件被設置在投影儀與第一偏振光柵之間，第一切換偏振元件被配置成與第二切換偏振元件和第三切換偏振元件相反地切換。

在一個實施方式中，光學系統包括處理器，處理器可操作地連接至投影儀和至少一個切換偏振元件，並且處理器被配置成每圖像幀至少一次在第一偏振與第二偏振之間時分複用光的偏振。

在一個實施方式中，投影儀被配置成投影被分成至少兩個子幀的圖像幀，並且光學系統包括處理器，該處理器可操作地連接至投影儀和至少一個切換偏振元件，並且該處理器被配置成在第一偏振與第二偏振之間時分複用光的偏振，第一偏振和第二偏振分別與來自至少兩個子幀的第一子幀和第二子幀的投影同步。

在一個實施方式中，投影儀被配置成投影多色圖像，其中，第一顏色的光以與第二顏色的光不同的視場被投影，第二顏色不同於第一顏色。在一個實施方式中，第一偏振光柵將入射到其上的非偏振光分成正交偏振，正交偏振入射到第一主表面上，傳播通過基板，並且入射到第二偏振光柵上，第二偏振光柵將正交偏振偏轉成具有與入射到第一偏振光柵上的光相等的角方向的光。

結合在說明書中並且構成說明書一部分的圖式示出了各種示例系統、方法等，它們示出了本發明的各方面的各種示例實施方式。將理解的是，圖中所示出的元件邊界(例如，框、框的組或其他形狀)表示邊界的一個示例。本領域普通技術人員將理解，可以將一個元件設計為多個元件，或者可以將多 個元件設計為一個元件。可以將被示為另一元件的內部部件的元件實現為外部部件，反之亦然。此外，元件可以不按比例繪製。

1、10、11、12、12’、13、2、2’、22、22’、31、32、33、36:光線

100:示例性光學系統

103:有源透明液晶元件

105:有源透明液晶元件

200:示例性光學系統

3:偏振敏感光柵

30:光線

300:示例性光學系統

34:光線

35:光線

36:光線

400:示例性光學系統

44:偏振光

45:偏振光

5:偏振敏感光柵

50:光導光學元件

52:透光基板

52a、52b:主表面

52c、52d:邊緣

54:表面

56:表面

60:投影光學裝置

61、62、63、64、65、66:切換偏振元件

7、9:光柵

70:眼動箱

700:方法

710、720、730、740、750、760:步驟

800:示例性系統

圖1示出了用於近眼顯示器(NED)的示例性光學系統的示意圖。

圖2A和圖2B示出了示例性地說明偏振光柵對作用的示意圖。

圖3示出了用於NED的另一示例性光學系統的示意圖。

圖4示出了用於NED的另一示例性光學系統的示意圖。

圖5A和圖5B示出了說明NED的示例性FOV的示意圖。

圖6示出了用於NED的另一示例性光學系統的示意圖。

圖7示出了用於NED的另一示例性光學系統的示意圖。

圖8示出了用於在NED中生成擴展的FOV圖像的示例性方法的流程圖。

圖9示出了用於NED中的擴展的FOV的示例性系統的框圖。

圖1示出了用於近眼顯示器(NED)的示例性光學系統100的示意圖。

光學系統100包括光導光學元件(LOE)50。LOE 50的示例在例如Amitai的美國專利第7,643,214號和第7,724,442號中有非常詳細的描述。LOE 50包括透光基板52，透光基板52具有彼此平行的第一主表面52a和第二主表面52b以及邊緣52c、邊緣52d。本文中也將第一主表面52a描述為前主表面或前表面，並且也將與主表面52a相關的元件描述為與前側相關。類似地，本文中有時將第二主表面52b描述為後主表面或後表面，並且也將與主表面52b相關的元件描述為與後側相關。這是因為，在NED應用中，前主表面52a和相關元件被設置在NED透鏡的遠離用戶的眼睛的前側，而後主表面52b及其相關元件被設置在NED透鏡的靠近用戶的眼睛的後側。LOE 50還包括不平行於第一主表面52a和第二主表面52b的平面表面54。表面54將入射到其上的光(由光線31表示)耦合到透光基板52中。表面54可以是反射或衍射的，並且因此可以反射或衍射光線31(由光線32表示的反射)，從而通過全內反射將光 捕獲在第一主表面52a與第二主表面52b之間。儘管在示出的實施方式中，表面54被用作光輸入耦合元件，但在其他實施方式中，可以使用不同於或除諸如表面54的反射表面或衍射表面之外的光輸入耦合元件將光耦合到LOE 50中。例如，邊緣52c、邊緣52d可以用作光輸入耦合元件。也就是說，光可以在邊緣52c、邊緣52d中的一個或更多個處直接注入LOE 50。在另一示例中，可以使用折射技術將光耦合到LOE 50中，並且因此，光輸入耦合元件可以包括折射元件。

LOE 50還可以包括一個或更多個光輸出元件。在示出的實施方式中，LOE 50包括多個部分反射表面56作為光輸出元件，多個部分反射表面56不平行於第一主表面52a和第二主表面52b。表面56將光線32耦出基板52(由光線33表示的輸出光)。

光學系統100還包括一對互補的偏振敏感光柵3、偏振敏感光柵5。第一偏振敏感光柵3被設置在透光基板52的與第一主表面52a對應的前側，並且第二偏振敏感光柵5被設置在透光基板52的與第二主表面52b對應的後側。偏振光柵是用於根據光的偏振來偏轉光的光學裝置。偏振敏感光柵的示例包括基於Pancharatnam-Berry相位(幾何相位)的光柵。一個具體示例是由液晶分子製成的光柵，其可以根據光的圓偏振來偏轉光。這樣的光柵可以對具有右手圓偏振(Right Handed Circular Polarization，RHCP)和左手圓偏振(Left Handed Circular Polarization，LHCP)的光產生相反的偏轉角，並且最經常地，經偏轉的光的偏振將被切換(旋轉)。也就是說，對於這樣的光柵，右手偏振(RHCP)的光將產生在第一方向上偏轉的左手圓偏振(LHCP)的光，而左手圓偏振(LHCP)的光將產生在第二方向上偏轉的右手偏振(RHCP)的光，第二方向不同於第一方向。應當注意，儘管本文使用圓偏振光柵來實現光偏轉，但是其他偏振光柵(例如，線性偏振光柵)可以針對兩個正交偏振具有不同的偏轉，並且也可以用在本文中公開的系統中。此外，偏振光柵可以以不同的方法實現，包括但不限於有源或無源液晶元件、聚合物、亞波長空間變化光柵或空間變化偏振器。

作為說明的手段，圖2A示出了單個圓偏振敏感光柵3的示意圖。 RHCP的光線1和LHCP的光線2入射到偏振敏感光柵3上。偏振敏感光柵3根據光線1、光線2的偏振狀態來偏轉光線1、光線2，並且切換光線1、光線2的偏振狀態，使得RHCP的光線1在一個方向上被偏轉為具有LHCP的光線11，並且具有LHCP的光線2在相反方向上被偏轉為具有RHCP的光線12。光線11和光線12被偏轉到偏振敏感光柵3的某個衍射級m和-m。對於入射的非偏振光，偏振光柵將用作偏振分束器，其中，入射強度的一半將被偏轉到一個方向，具有RHCP，而另一半將被偏轉到相反的方向，具有LHCP。

圖2B示出了一個接一個放置的兩個互補的偏振敏感光柵3、偏振敏感光柵5的配置。都具有LHCP的法向入射光線2和傾斜入射光線2’被偏振敏感光柵3偏轉為具有RHCP的光線12和光線12’。然後，光線12和光線12’射入偏振敏感光柵5，並且傳播通過偏振敏感光柵5以得到具有RHCP的經偏轉的光線22和光線22’。光線22和光線22’被偏轉到偏振敏感光柵5的第0衍射級，並且因此這些光線的角取向與入射光線2和光線2’的角取向相同。儘管衍射光柵的偏轉角取決於波長，但是由於光線22和光線22’的取向與光線2和光線2’的取向相同，所以對於透射圖像預期沒有彩色破裂。

已經注意到，一些更特殊或非常規的偏振光柵可以被設計成使得光線11和光線12將分別具有與入射光線1和入射光線2相同的偏振。如果在每個偏振光柵之後將包括附加的波片，以旋轉光線11和光線12的偏振，則這些元件也可以用在本方法中。替選地，如果這些元件被設計成以彼此相反的方向偏轉光，即偏振敏感光柵3將RHCP光線偏轉到某個衍射級m，並且偏振敏感光柵5在相反的方向上將RHCP偏轉到相反的衍射級-m，則可以使用這些元件。在物理上，這樣的光柵可以被製造成如圖2A中的元件那樣旋轉偏振的常規偏振光柵，但是接著還具有將偏振旋轉到原始入射偏振的另一半波片。提供了關於更特殊/非常規偏振光柵的該說明，以示出本發明不限於常規偏振光柵。

返回圖1，在系統100中，偏振敏感光柵3和偏振敏感光柵5可以被設置在LOE 50的每一側(前側和後側)。

示例性系統100還包括投影光學裝置(Projecting Optical Dcvice，POD)60，投影光學裝置60可以包括空間光調製器(Spatial Light Modulator， SLM)，例如液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)、矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)調製器、或數位光處理(Digital Light Processing，DLP)系統的數位微鏡裝置、有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)陣列、或無機發光二極體(Light Emitting Diode，LED)陣列。替選地，示例性系統100可以包含雷射光束掃描系統(Laser Beam Scanning，LBS)。POD 60可以生成準直到無限遠的準直圖像，即，每個圖像圖元的光是平行光束，其中角方向對應於圖像內的圖元位置。因此，圖像照射跨越與二維角視場對應的角的範圍，所有圖像照射可以通過內反射被捕獲在LOE 50內，並且然後被耦出。POD 60包括至少一個光源(通常為LED或雷射器)，該至少一個光源可以被部署成照射SLM(例如，LCOS晶片)。SLM調製圖像的每個圖元的投影強度，從而生成圖像。在系統100中，POD 60可以以第一偏振生成偏振的光波。

示例性系統100還包括切換偏振元件(Switching Polarization Element，SPE)61，其為被配置成可控制地/動態地將入射到其上的光的偏振從第一偏振切換或旋轉到不同於第一偏振的第二偏振的裝置。

例如，SPE 61可以是其輸出光的偏振方向可以根據所施加電壓來控制的裝置。在這種情況下，SPE 61可以被認為是壓控波片。這樣的SPE 61的示例是液晶(Liquid Crystal，LC)偏振旋轉器，其為可以旋轉線偏振的輸入光束的偏振狀態而不涉及機械移動的裝置。這樣的LC偏振旋轉器可以包括液晶可變延遲器和石英零級四分之一波片。利用從液晶單元側入射到偏振旋轉器上的線偏振光，可以通過調整液晶延遲來實現輸出偏振的旋轉。液晶延遲又可以根據施加的電壓來控制。

在其他示例中，SPE 61可以是其輸出光的偏振方向可以根據其他變數(例如，電流、聲音等)來控制的裝置。因此，SPE 61可以是電光、聲光等裝置，或者甚至是充當動態地切換或旋轉入射到其上的光的偏振的調製器的機械移動元件。

系統100可以存在於眼動箱(Eye Motion Box，EMB)70的前面，該眼動箱70與用戶的眼睛相對於安裝有系統100的NED的位置對應。

在操作中，POD 60投影以第一偏振偏振的光(由光線30表示)。 POD 60將在許多方向(視場)上照射光束，但是為了簡化說明，示出了單條光線30。光線30經由SPE 61傳播，SPE 61可以動態地改變光線30的偏振。在示出的實施方式中，SPE 61的輸出是光線31，光線31被注入到LOE 50中並且通過表面54耦合到LOE 50中，成為光線32。光線32通過表面56從LOE 50耦出，變成光線33。最終，光線33傳播通過偏振敏感光柵5，並且取決於光線33的偏振，光線33分別朝向由光線34或光線35表示的第一方向或第二方向偏轉。當操作SPE 61以與POD 60的圖像投影同步地順序改變光線30的偏振(每幀至少一個偏振切換)時，光線33分別在由光線34表示的第一方向和由光線35表示的第二方向上順序地偏轉。因此，通過在SPE 61處切換偏振，可以改變到達EMB 70的FOV的方向。

同時，從景觀視野(用戶的周圍環境)入射到LOE 50上的光1被偏振敏感光柵3分成光線10和光線11，但由於偏振敏感光柵5引起的互補效應，光線10和光線11將最終平行於入射光線1出射成為光線12和光線13。結果是景觀FOV最終不被系統100改變。

儘管本文中在LOE 50(具有反射小平面的1D擴展波導)的上下文中公開了FOV偏轉的原理，但是系統100也可以使用其他類型的波導(例如，具有全息光柵或衍射光柵的波導、液晶波導、在多於一個維度上擴展FOV的波導)、以及甚至沒有波導的系統(如具有分束器或鳥浴(birdbath)的自由形式光學器件)或用於NED的任何其他方法來實現。儘管這些原理在本文中在AR的上下文中公開，但是這些原理同樣適用於VR應用(例如，通過移除諸如前偏振敏感光柵3的景觀視野元件)和其他NED應用。

關於與POD 60對投影圖像的投影同步的SPE 61的順序偏振，投影圖像可以被有效地劃分成兩個子圖像，第一子圖像被偏轉到某個衍射級m的方向(光線34)，並且第二子圖像被偏轉到衍射級-m的相反方向(光線35)。例如，AR系統可以沿著圍繞LOE 50的法線(法向於主表面52a、主表面52b)的PG的偏轉軸顯示具有20度的FOV的光線30。如上所述，將SPE 61控制到第一偏振P1使得偏振光柵5將光線34偏轉到衍射級m=1的方向(其約為+10度)。P1圖像將以0度至20度而不是從LOE 50顯現的-10度至10度的角度的 FOV分佈到達眼睛(由EMB 70表示)。將偏振改變為與P1正交的第二偏振P2將使光線35偏轉到衍射級m=-1的方向(其約為-10度)。當操作SPE 61以與POD 60對第一子圖像和第二子圖像的投影同步地順序改變光線30的偏振時，使用者感知的整個圖像將從-20度擴展到20度，並且FOV為40度，使原始圖像的FOV加倍。為了簡化說明，本描述忽略了色散的影響。下面討論色散效應。

圖3至圖5示出了其他可能的實施方式。

圖3示出了用於NED的示例性光學系統200的示意圖。一些波導和其他NED系統不能以兩種偏振傳播或顯示光。在這樣的情況下，可以使用系統200，使得傳播通過LOE 50的光總是處於一種偏振。在系統200中，SPE 61不再在POD 60與LOE 50之間。因此，光線30、光線32和光線33處於在光傳播通過LOE 50時不被動態地改變的特定的偏振(即，第一偏振)。系統200使用兩個SPE 62、SPE 63而不是一個SPE 61。SPE 62動態地切換或旋轉入射光線33的偏振，從而產生光線36。光線36又入射到偏振敏感光柵5上，其中類似於系統100，取決於光線36的偏振，將光線36順序地偏轉成光線34和光線35。

關於景觀視野，SPE 63與SPE 62被同步地控制，使得光線12、光線13具有與光線1相同的角度。由於光線10和光線11由LOE 50的通常對偏振敏感的內部結構透射，因此SPE 63與SPE 62被同步地控制，使得SPE 63與LOE 50的內部結構一起抵消SPE 62的影響。這樣，作為光線1進入系統200的光首先入射到偏振敏感光柵3和SPE 63，在偏振敏感光柵3和SPE 63中光被改變，但是然後入射到SPE62和偏振敏感光柵5，在SPE62和偏振敏感光柵5中效果被抵消，產生與光線1相同角度的光線12、光線13。結果是景觀FOV最終不被系統200改變。

一些NED系統只能以線偏振顯示光。在偏振敏感光柵3和偏振敏感光柵5偏轉與圓偏振對應的角度的情況下，四分之一波片(Quarter Wave Plate，QWP)可以用作光柵結構的一部分以轉換為線偏振。

儘管上述示例描述了在偏振敏感光柵5處投影圖像僅有一個單一偏轉的實施方式，但是在其他實施方式中，通過將幾個偏振光柵堆疊在一起並 且根據需要在偏振光柵之間***SPE，多個連續的偏轉是可能的。

圖4示出了用於NED的示例性光學系統300的示意圖。系統300可以比圖3的系統200更進一步地增加FOV。在圖4中，除了圖3的系統200的偏振敏感光柵3和偏振敏感光柵5以及SPE 62和SPE 63之外，還引入了兩個附加光柵7和光柵9以及SPE 64和SPE 65。然而，操作原理是類似的。值得注意的是，偏振敏感光柵對3、5將總是具有彼此互補的效果。對於光柵對7、9也是如此，光柵對7、9總是具有彼此互補的效果。類似地，SPE 62、SPE 63的對將動態地具有彼此互補的SPE效果，並且SPE 64、SPE 65的對也將動態地具有彼此互補的SPE效果。這使得景觀FOV沒有變化，但是可以實現投影圖像的受控連續偏轉。可以通過將SPE 62和SPE 64分別控制為第一偏振P1或第二偏振P2來控制連續偏轉的水準。

作為示例，SPE 62和SPE 64都被設置為第一偏振P1，偏振敏感光柵5使光線36偏轉+10度，並且光柵9使得到的光偏轉附加的+5度，產生+15度的總偏轉。作為另一示例，SPE62被設置為第一偏振P1，SPE 64被設置為第二偏振P2，偏振敏感光柵5使光線36偏轉+10度，並且光柵9使得到的光偏轉-5度，產生總偏轉+5度。因此，通過控制SPE以改變每個光柵處的偏振，可以實現不同的偏轉。在示例系統300中，根據每個光柵處的偏振的偏轉是：

因此，系統300可以被設置為至少四種不同的配置，並且如果系統的固有FOV是10(+5到-5)度，則通過如上所述的時間複用，可以控制系統300的FOV以覆蓋+20度到-20度之間的整個FOV。光柵可以具有相同的偏轉角或甚至不同的偏轉方向，並且還設想更大數目的光柵。此外，儘管以上以 離散的步長(例如，5、10、15、20......)表達偏轉，但是可以通過將SPE處的偏振從第一偏振連續地改變到第二偏振來連續地而不是僅僅離散地控制FOV。

通常，偏振光柵的偏轉角非線性地依賴於入射角。因此，投影圖像的不同場將被偏轉不同的角度，並且因此圖像將被扭曲。因此，需要通過投影失真圖像來校正該失真，該失真圖像同步地補償偏振光柵的非線性回應。

對於大多數光柵，偏轉角取決於波長。因此，將本文公開的技術用於單個窄波長光源可能是有利的。對於單色系統，系統的FOV可以是2α，並且光柵的偏轉可以是±α，使得得到的FOV將加倍為4α。然而，對於大多數NED，光源是多色的(例如RGB)，這將獲得不同的結果。

例如，假設NED顯示紅色波長和藍色波長(630nm和450nm)的光。紅色波長將以一定角度偏轉(例如α度)，藍光將僅以~0.7α度偏轉(在線性近似下)。這意味著藍光的FOV可能擴展僅1.4α，而FOV的最小寬度是2α。因此，得到的FOV將為~3.4α。因此，當如上所述將圖像分成不同的子圖像時，為了在所有顏色之間保持FOV，僅可以顯示約85%的圖像。對於具有較小偏轉的顏色(通常波長較短)，僅可以顯示~85%，以防止兩個圖像的交疊引起不均勻亮度分佈。此外，對於具有大偏轉角的顏色，僅可以顯示內部85%的區域，以防止較大偏轉角顏色的FOV比較小偏轉角顏色的FOV更寬。

圖5A和圖5B示出了說明NED的示例性FOV的示意圖。圖5A示出了紅光的FOV，而圖5B示出了藍光的FOV。在圖5A和圖5B二者中，矩形表示左FOV和右FOV，組合矩形的外框表示NED能夠顯示的寬度。如圖5A所示，對於紅光，產生相對較大的偏轉，並且該顯示的內部部分被顯示。這由矩形的被填充的內部部分示出。如圖5B所示，對於藍光，產生相對較小的偏轉，並且因此，替代地使用FOV的外部部分。FOV的外部部分被填充。

使用如圖4所示的兩個或更多個光柵對也可以有助於使偏轉能夠變成消色差的。假設NED照射紅色波長和藍色波長(630nm和450nm)的光。使用如圖3中的單個光柵對，紅色波長將處於某一角度(例如8.5度)，而藍光將以較小的角度偏轉，例如僅以5.95度偏轉。然而，使用如圖4中的兩個光柵對，可以引入第二光柵對，其中例如，對於紅光具有1.5度的較小偏轉角，對 於藍光具有1.05度的較小偏轉角。如果對第二光柵對進行調諧，使得對於紅光，其在與第一光柵對的相反的方向上使光偏轉，而對於藍光，其在與第一光柵對的相同的方向上使光偏轉，則對於兩種顏色，得到α=8.5-1.5=5.95+1.05=7。兩種顏色的偏轉相同。因此，通過在紅色圖像與藍色圖像之間切換一個光柵的效果，可以實現較小的衍射差。

在一個實施方式中，RGB光源是窄頻寬的，以減少一個單色子圖像內的色差。例如，本文中公開的技術可以使用小於1nm的半高全寬(Full Width At Half Maximum，FWHM)頻寬的光源來實現，以對於633nm左右的紅色圖像具有小於1分鐘的弧FOV色散。

如圖6所示，克服衍射效應的另一種方式將是對來自POD 60的光使用兩個光柵。

圖6示出了用於NED的示例性光學系統400的示意圖。所示出的配置類似於圖3所示的配置，不同之處在於：延伸偏振敏感光柵3以接收來自POD 60的光，使得投影圖像的光行進通過偏振敏感光柵3和偏振敏感光柵5。與圖3的其他差別是：在來自POD 60的光的出口處添加SPE 66，以及使SPE 63在偏振敏感光柵3的延伸部分與LOE 50之間延伸。類似於圖3的系統200，在示例性光學系統400中，從POD 60出來的光將穿過偏振敏感光柵5，偏振敏感光柵5根據該光的偏振偏轉該光的方向。然而，此處，光首先穿過偏振敏感光柵3，偏振敏感光柵3使光偏轉以減小光的角寬度。最終，到達EMB 70的光(光線34、光線35)具有與從POD 60出來的光(偏振光44、偏振光45)相同的角寬度。然而，在LOE 50內，光的角分佈將較小(光線30至光線33)。

一般地，諸如LOE 50的LOE傳播僅一個偏振的光。而且，一般地，諸如POD 60的POD將僅以一種偏振發光。為了解決該問題，在所示的位置引入SPE 63和SPE 66並且同步控制。這產生光偏轉所需的偏振偏移，同時保持來自POD 60和進入LOE 50的恒定偏振。

在操作中，SPE 66將來自POD 60的偏振光44、偏振光45設置為第一偏振或第二偏振。偏振敏感光柵3使光偏轉以減小其角寬度。因為SPE 63與SPE 66相反地操作，所以進入LOE 50的光處於其來自POD 60的原始偏振。 光行進通過LOE 50(光線30、光線32、光線33)並且被耦出。操作SPE 62以將LOE輸出光的偏振從第一偏振改變為第二偏振。偏振敏感光柵5根據光的偏振將光偏轉到相反的方向。

在本發明內容中，使用偏振光柵和SPE的組合來切換光柵/SPE組的動作(即，SPE控制偏振，該偏振使偏振光柵在一個方向或另一方向上偏轉光)。可以使用其他可能的結構來實現類似的結果。例如，可以使用可切換光柵。可切換光柵是這樣的光柵：能夠動態地開啟和關閉其光學效應，是能夠動態地偏轉光的系統的主要部分。這樣的可切換光柵可以以互補對來使用(如上所述)，從而產生動態互補光柵對(抵消另一個光柵的影響並且還可以被動態地打開和關閉的兩個光柵)。

圖7示出了用於NED的示例性光學系統500的示意圖。系統500類似於上述系統200，不同之處在於，可以使用有源透明液晶元件(例如SLM和LCOS)103、有源透明液晶元件105來代替SPE和偏振光柵。有源透明液晶元件105可以用於對由光線33表示的入射偏振光施加受控的線性相位，以將入射場偏轉到不同的角取向，從而產生由光線34、光線35表示的經偏轉的光。這樣的有源透明液晶元件105可以用於在兩個或更多個角取向上時間動態地偏轉入射光。類似地，可以將互補的有源透明液晶元件103放置在光導光學元件50之前以補償有源透明液晶元件105的影響，使得透射的場景不會失真。

方法

參照圖8的流程圖可以更好地理解示例性方法。儘管出於簡化說明的目的，所示出的方法被示出和描述為一系列框，但是應當理解，這些方法不受框的順序的限制，因為一些框可以以與示出和描述的順序不同的順序發生或者與其他框同時發生。此外，實現示例性方法可能需要少於所有示出的框。此外，附加的方法、替選的方法或二者都可以使用未示出的附加框。

在流程圖中，框表示可以用邏輯實現的“處理框”。處理框可以表示方法步驟或用於執行該方法步驟的裝置元件。流程圖並未描繪用於任何特定程式設計語言、方法或樣式(例如，過程式、物件導向)的語法。相反，流程圖示出了本領域技術人員可以用於開發邏輯以執行所示出的處理的功能信息。應 當理解，在一些示例中，未示出諸如臨時變數、常式迴圈等的程式元素。還應當理解，電子和軟體應用可能涉及動態和靈活的過程，使得所示出的框可以以不同於所示出的序列的其他序列來執行，或者這些框可以被組合或分離成多個部件。應當理解，可以使用諸如機器語言、過程式、物件導向或人工智慧技術的各種程式設計方法來實現這些過程。

圖8示出了用於在NED中生成圖像的示例性方法700的流程圖。在710處，方法700可以包括將要由NED投影的圖像分成第一子圖像和第二子圖像。例如，運動圖片由被稱為幀的一系列靜止圖像組成。幀可以被有效地分成兩個或更多個子幀。也就是說，同一幀圖像可以首先以第一偏振同步地發送，並且其次以第二偏振同步地發送，等等。該步驟還可以包括所需校正失真的計算和實現，所需校正失真必須應用於子圖像以校正或補償隨入射角(對於給定顏色)而變化的非線性偏轉和所得到的色差。

在720處，方法700包括使第一子圖像和第二子圖像順序地透射通過通道。該通道可以例如是諸如上述LOE 50的LOE。在730處，方法700還可以包括提取第一偏振的與第一子圖像對應的光以及提取第二偏振的與第二子圖像對應的光。例如，如上所述，可以使用SPE動態地控制光的偏振。

在740處，如果光處於第一偏振，則在750處，方法700在第一方向上偏轉第一偏振的第一級的光。然而，如果光處於第二偏振，則在760處，在不同於第一方向的第二方向上偏轉第二偏振的第一級的光。例如，可以使用偏振光柵在第一方向上偏轉第一偏振的光以及在第二方向上偏轉第二偏振的光。儘管在所示出的實施方式中，將圖像或幀有效地分成兩個子圖像，但在其他實施方式中，可以將任何圖像或幀分成更多(例如，四個、六個等)子圖像。也就是說，同一幀圖像可以首先以第一偏振同步地發送，其次以第二偏振同步地發送，第三以第一偏振(或一些其他偏振)同步地發送，第四以第二偏振(或一些其他偏振)同步地發送，等等。將圖像劃分成子圖像不一定改變圖像或幀的原始定時或長度。將圖像劃分成子圖像意指可以在其原始時間發送圖像，但是在該時間的一些時間以第一偏振同步地發送圖像，在該時間的一些時間以第二偏振同步地發送圖像，等等。

在一個實施方式中，偏轉光包括後偏振光柵接收提取的光並且在第一方向上偏轉第一偏振的光和在第二方向上偏轉第二偏振的光。

在一個實施方式中，該方法還包括，在提取和偏轉光的同時，使入射在前偏振光柵上的非偏振光透射通過前偏振光柵、通道和後偏振光柵，使得非偏振光以與其入射在前偏振光柵上的非偏振光相等的角方向離開後偏振光柵。

在一個實施方式中，第一偏振的與第一子圖像對應的光以及第二偏振的與第二子圖像對應的光以時分複用方案順序地透射通過LOE。

在一個實施方式中，順序地透射第一子圖像和第二子圖像包括每圖像幀至少一次地在第一偏振與第二偏振之間時分複用光的偏振。

在一個實施方式中，順序地透射第一子圖像和第二子圖像包括在第一偏振與第二偏振之間時分複用光的偏振，第一偏振和第二偏振分別與第一子圖像和第二子圖像的投影同步。

在一個實施方式中，對應於第一子圖像的光和對應於第二子圖像的光以共同的偏振透射通過LOE，並且此後發生第一偏振的與第一子圖像對應的光的偏振或第二偏振的與第二子圖像對應的光的偏振。

在一個實施方式中，第一偏振的光的偏轉和第二偏振的光的偏轉分步進行，其中多個偏轉總計為總偏轉。

在一個實施方式中，順序地透射第一子圖像和第二子圖像包括投影多色圖像，其中，第一顏色的光以與第二顏色的光不同的視場來投影，第二顏色的光不同於第一顏色的光。

儘管圖式示出了串列發生的各種動作，但是應當理解，示出的各種動作可以基本上並行發生，並且儘管示出動作可以並行發生，但是應當理解，這些動作可以基本上串列發生。儘管關於所示方法描述了多個過程，但是應當理解，可以採用更多或更少數目的過程，並且可以採用羽量級過程、常規過程、執行緒和其他方法。應當理解，在一些情況下，其他示例性方法也可以包括基本上並行發生的動作。所示出的示例性方法和其他實施方式可以即時操作，在軟體或硬體或混合軟體/硬體實現方式中比即時快地操作，或在軟體或硬體或混合軟體/硬體實現方式中比即時慢地操作。

系統

圖9示出了用於NED的示例性系統800的框圖。示例性系統800可以包括諸如以下的處理器80，例如微處理器、微控制器等。處理器80可以可操作地連接至POD 60和上述示例性光學系統100、200、300和400中描述的SPE 61至SPE 66中適用的一個。處理器被配置成與POD 60一起控制或至少協調圖像的投影，將SPE 61至SPE 66控制為第一偏振或第二偏振，以實現上述時分複用方案。

定義

下面包括本文所採用的所選術語的定義。該定義包括落入術語範圍內並且可以用於實現方式的部件的各種示例或形式。示例不旨在是限制性的。術語的單數形式和複數形式均可以在定義內。

“可操作連接”或實體通過其“可操作地連接”的連接是其中可以發送或接收信號、物理通信或邏輯通信的連接。通常，可操作連接包括物理介面、電介面或資料介面，但是應當注意，可操作連接可以包括足以允許可操作控制的這些或其他類型連接的不同組合。例如，兩個實體可以通過能夠彼此直接或通過一個或更多個中間實體(如處理器、作業系統、邏輯、軟體或其他實體)傳遞信號來可操作地連接。邏輯或物理通信通道可以用於創建可操作連接。

就在說明書或申請專利範圍中使用術語“包括(includes)”或“包含(including)”而言，在用作申請專利範圍中的過渡詞的情況下解釋該術語時，其旨在以與術語“包括(comprising)”類似的方式為包括性的。此外，就在說明書或請求項中使用術語“或”(例如，A或B)而言，其旨在意指“A或B或二者”。當申請人旨在指示“僅A或B而非二者”時，則將使用術語“僅A或B而非二者”。因此，本文中術語“或”的使用是包括性的，而不是排他性的使用。參見Bryan A.Garner，現代法律用法詞典624(2d.Ed.1995)。

儘管已經通過描述示例示出了示例系統、方法等，並且儘管已經相當詳細地描述了示例，但是申請人的意圖不是限制或以任何方式將範圍限制為這樣的細節。當然，為了描述本文所描述的系統、方法等，不可能描述部件或方法的每個可想到的組合。另外的優點和修改對本領域技術人員將是明顯的。 因此，本發明不限於所示出和描述的具體細節、代表性設備和說明性示例。因此，本申請旨在包含落入所附請求項的範圍內的變更、修改和變化。此外，先前的描述並不意指限制本發明的範圍。相反，本發明的範圍由所附請求項及其等同物來確定。

1、10、11、12、12’、13、2、2’、22、22’、31、32、33、36:光線

100:示例性光學系統

3:偏振敏感光柵

30:光線

34:光線

35:光線

5:偏振敏感光柵

50:光導光學元件

52:透光基板

52a、52b:主表面

52c、52d:邊緣

54:表面

56:表面

60:投影光學裝置

61:切換偏振元件

70:眼動箱

Claims (27)

1. 一種用於近眼顯示器(NED)的光學系統，所述光學系統包括：

   光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件包括透光基板，所述透光基板具有：

   彼此平行的第一主表面和第二主表面，一個或更多個光輸入耦合元件和一個或更多個光輸出耦合元件，所述一個或更多個光輸入耦合元件被配置成將入射光耦合到所述透光基板中，從而通過全內反射將光捕獲在所述第一主表面與所述第二主表面之間，所述一個或更多個光輸出耦合元件被配置成將所述光耦出所述基板；一對偏振光柵，來自所述一對偏振光柵中的第一偏振光柵被設置在所述透光基板的與所述第一主表面對應的第一側上，並且來自所述一對偏振光柵中的第二偏振光柵被設置在所述透光基板的與所述第二主表面對應的第二側上；以及至少一個切換偏振元件，被配置成將所述光的偏振從第一偏振切換到不同於所述第一偏振的第二偏振，使得所述第二偏振光柵在第一方向上偏轉所述第一偏振的光，並且在不同於所述第一方向的第二方向上偏轉所述第二偏振的光。
2. 如請求項1所述的光學系統，包括：

   投影儀，被配置成發射所述入射光。
3. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述至少一個切換偏振元件被設置在所述投影儀與所述第一主表面之間，使得所述入射光在耦合到所述透光基板中之前在所述第一偏振與所述第二偏振之間切換。
4. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述至少一個切換偏振元件包括第一切換偏振元件和第二切換偏振元件，並且所述第一切換偏振元件被設置在所述LOE與所述第一偏振光柵之間，並且所述第二切換偏振元件被設置在所述LOE與所述第二偏振光柵之間。
5. 如請求項4所述的光學系統，包括：

   第二對偏振光柵，來自所述第二對偏振光柵中的第三偏振光柵被設置在所述透光基板的與所述第一主表面對應的所述第一側上，並且來自所述第二對偏 振光柵中的第四偏振光柵被設置在所述透光基板的與所述第二主表面對應的所述第二側上，

   其中，所述至少一個切換偏振元件包括第三切換偏振元件和第四切換偏振元件，並且所述第三切換偏振元件被設置在所述第一偏振光柵與所述第三偏振光柵之間，並且所述第四切換偏振元件被設置在所述第二偏振光柵與所述第四偏振光柵之間。
6. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述至少一個切換偏振元件包括第一切換偏振元件、第二切換偏振元件和第三切換偏振元件，所述第一切換偏振元件被設置在所述LOE與所述第一偏振光柵之間，所述第二切換偏振元件被設置在所述LOE與所述第二偏振光柵之間，並且所述第三切換偏振元件被設置在所述投影儀與所述第一偏振光柵之間，所述第一切換偏振元件被配置成與所述第二切換偏振元件和所述第三切換偏振元件同步切換。
7. 如請求項2所述的光學系統，包括：

   處理器，所述處理器可操作地連接至所述投影儀和所述至少一個切換偏振元件，並且所述處理器被配置成每圖像幀至少一次在所述第一偏振與所述第二偏振之間時分複用所述光的偏振。
8. 如請求項2所述的光學系統，所述投影儀被配置成投影被分成至少兩個子幀的圖像幀，所述光學系統包括：

   處理器，所述處理器可操作地連接至所述投影儀和所述至少一個切換偏振元件，並且處理器被配置成在所述第一偏振與所述第二偏振之間時分複用所述光的偏振，所述第一偏振和所述第二偏振分別與來自所述至少兩個子幀的第一子幀和第二子幀的投影同步。
9. 如請求項8所述的光學系統，所述投影儀被配置成投影多色圖像，其中，以與第二顏色的光不同的視場投影第一顏色的光，所述第二顏色不同於所述第一顏色。
10. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一偏振光柵將入射到所述第一偏振光柵上的非偏振光分成各部分，所述各部分入射到所述第一主表面上，傳播通過所述基板，並且入射到所述第二偏振光柵上，所述第二偏 振光柵將所述各部分偏轉成具有與入射到所述第一偏振光柵上的光相等的角方向的光。
11. 一種用於在近眼顯示器中生成圖像的方法，包括：

    將圖像分成第一子圖像和第二子圖像；

    使所述第一子圖像和所述第二子圖像順序地透射通過通道；

    提取第一偏振的與所述第一子圖像對應的光以及第二偏振的與所述第二子圖像對應的光；

    在第一方向上偏轉所述第一偏振的第一級的光；以及

    在不同於所述第一方向的第二方向上偏轉所述第二偏振的第一級的光。
12. 如請求項11所述的方法，其中，所述偏轉包括後偏振光柵接收所提取的光並且在所述第一方向上偏轉所述第一偏振的光以及在所述第二方向上偏轉所述第二偏振的光。
13. 如請求項12所述的方法，包括：

    同時使入射在前偏振光柵上的非偏振光透射通過所述前偏振光柵、所述通道和所述後偏振光柵，使得所述非偏振光以與入射在所述前偏振光柵上的所述非偏振光相等的角方向離開所述後偏振光柵。
14. 如請求項11所述的方法，其中，所述通道包括：

    光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件包括透光基板，所述透光基板具有：

    彼此平行的第一主表面和第二主表面，至少一個光輸入耦合元件和至少一個光輸出耦合元件，所述至少一個光輸入耦合元件被配置成將入射光耦合到所述透光基板中，從而通過全內反射將光捕獲在所述第一主表面與所述第二主表面之間，所述至少一個光輸出耦合元件被配置成通過所述第二主表面將所述光耦出所述基板；以及至少一個切換偏振元件，被配置成在第一偏振與第二偏振之間切換所述光的偏振。
15. 如請求項14所述的方法，其中，所述第一偏振的與所述第一子圖像對應的光以及所述第二偏振的與所述第二子圖像對應的光被順序地透射通過所述LOE。
16. 如請求項14所述的方法，其中，與所述第一子圖像對應的光以及與所述第二子圖像對應的光以共同偏振透射通過所述LOE，並且此後發生所述第一偏振的與所述第一子圖像對應的光的偏振或所述第二偏振的與所述第二子圖像對應的光的偏振。
17. 如請求項11所述的方法，其中，所述第一偏振的光的偏轉和所述第二偏振的光的偏轉分步進行，其中多次偏轉總計為所述偏轉。
18. 如請求項11所述的方法，其中，順序地透射所述第一子圖像和所述第二子圖像包括每圖像幀至少一次在所述第一偏振與所述第二偏振之間時分複用所述光的偏振。
19. 如請求項11所述的方法，其中，順序地透射所述第一子圖像和所述第二子圖像包括在所述第一偏振與所述第二偏振之間時分複用所述光的偏振，所述第一偏振和所述第二偏振分別與所述第一子圖像和所述第二子圖像的投影同步。
20. 如請求項11所述的方法，其中，順序地透射所述第一子圖像和所述第二子圖像包括投影多色圖像，其中，以與第二顏色的光不同的視場投影所述第一顏色的光，所述第二顏色不同於所述第一顏色。
21. 如請求項11所述的方法，包括：

    在所述第一方向上偏轉所述第一偏振的光之後，在不同於所述第一方向和所述第二方向的第三方向上偏轉所述第一偏振的光；以及在所述第二方向上偏轉所述第二偏振的光之後，在不同於所述第一方向、所述第二方向和所述協力廠商向的第四方向上偏轉所述第二偏振的光。
22. 一種用於近眼顯示器(NED)的光學系統，所述光學系統包括：

    光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件包括透光基板，所述透光基板具有：

    彼此平行的第一主表面和第二主表面，一個或更多個光輸入耦合元件和一個或更多個光輸出耦合元件，所述一個或更多個光輸入耦合元件被配置成將入射光耦合到所述透光基板中，從而通過全內反射將光捕獲在所述第一主表 表面對應的第一側上，所述第一有源透明液晶元件被配置成將所述光的偏振從第一偏振切換到不同於所述第一偏振的第二偏振，使得所述第一有源透明液晶元件在第一方向上偏轉所述第一偏振的光並且在不同於所述第一方向的第二方向上偏轉所述第二偏振的光。
23. 如請求項22所述的光學系統，包括：

    投影儀，被配置成發射所述入射光。
24. 如請求項23所述的光學系統，包括：

    處理器，可操作地連接至所述投影儀和所述第一有源透明液晶元件，並且所述處理器被配置成每圖像幀至少一次在所述第一偏振與所述第二偏振之間時分複用所述光的偏振。
25. 如請求項23所述的光學系統，所述投影儀被配置成投影被分成至少兩個子幀的圖像幀，所述光學系統包括：

    處理器，所述處理器可操作地連接至所述投影儀和所述第一有源透明液晶元件，並且所述處理器被配置成在所述第一偏振與所述第二偏振之間時分複用所述光的偏振，所述第一偏振和所述第二偏振分別與來自所述至少兩個子幀的第一子幀和第二子幀的投影同步。
26. 如請求項25所述的光學系統，所述投影儀被配置成投影多色圖像，其中，第一顏色的光以與第二顏色的光不同的視場被投影，所述第二顏色不同於所述第一顏色。
27. 如請求項22所述的光學系統，包括：

    第二有源透明液晶元件，被設置在所述透光基板的與所述第二主表面對應的第二側上，所述第二有源透明液晶元件被配置成與所述第一有源透明液晶元件同步地切換入射在其上的光的偏振。

Images